[發(fā)明專(zhuān)利]基于寬譜連續(xù)光的復(fù)用型FLRD傳感器及多參量檢測(cè)方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210258545.7
• 申請(qǐng)日: 2022-03-16
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN114646340A
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-06-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 夏歷;鄭冬巧
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01D5/353
• 分類(lèi)號(hào): G01D5/353
• 代理公司: 華中科技大學(xué)專(zhuān)利中心 42201
• 代理人: 夏倩;李智

本發(fā)明公開(kāi)了一種基于寬譜連續(xù)光的復(fù)用型FLRD傳感器及多參量檢測(cè)方法，屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，包括：寬譜連續(xù)光源，其輸出的信號(hào)具有隨機(jī)性；傳感模塊，包括N(N≥2)個(gè)級(jí)聯(lián)的光纖環(huán)形衰蕩腔，且相鄰兩光纖環(huán)形衰蕩腔之間連接有時(shí)延單元，每個(gè)光纖環(huán)形衰蕩腔分別用于實(shí)現(xiàn)一個(gè)待測(cè)參量的傳感，傳感模塊的輸入端與寬譜連續(xù)光源相連；探測(cè)模塊，用于探測(cè)傳感模塊中各光纖環(huán)形衰蕩腔輸出的光信號(hào)，并轉(zhuǎn)換電信號(hào)，得到時(shí)序信號(hào)；以及解調(diào)模塊，用于對(duì)時(shí)序信號(hào)做自相關(guān)運(yùn)算，進(jìn)行相關(guān)解調(diào)，分離出各光線(xiàn)衰蕩環(huán)對(duì)應(yīng)的相關(guān)函數(shù)曲線(xiàn)，并計(jì)算對(duì)應(yīng)的衰蕩時(shí)間，以完成對(duì)各待測(cè)參量的檢測(cè)。本發(fā)明所提供的FLRD傳感器，靈敏度高、響應(yīng)速度快、成本低且具有可復(fù)用性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及基于寬譜連續(xù)光的復(fù)用型FLRD傳感器及多參量檢測(cè)方法。

背景技術(shù)

腔衰蕩(Cavity Ring Down，CRD)技術(shù)是一種吸收光譜檢測(cè)技術(shù)，該技術(shù)首次被提出是用兩面高反鏡組成一個(gè)腔，使光源發(fā)出的光在腔內(nèi)不斷循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)多次吸收，使得探測(cè)的靈敏度得到提升。FLRD技術(shù)就是由CRD技術(shù)發(fā)展而來(lái)的。它是由兩個(gè)光纖耦合器連接形成一個(gè)環(huán)腔，光信號(hào)可以在環(huán)腔內(nèi)循環(huán)傳輸，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的多次疊加，使系統(tǒng)的光程得到有效的放大，基于此原理制造了大量FLRD傳感器。

傳統(tǒng)的脈沖型FLRD傳感器是測(cè)量脈沖信號(hào)強(qiáng)度的衰減時(shí)間來(lái)進(jìn)行探測(cè)，但是此類(lèi)傳感器為了避免脈沖信號(hào)的重疊，輸入環(huán)路的脈沖光的脈寬需要小于光在環(huán)腔中循環(huán)一次的時(shí)間。因此，系統(tǒng)需要超窄的脈沖信號(hào)以及高速的調(diào)制模塊，或者需要長(zhǎng)至百米的光纖環(huán)腔。前者需要高成本，后者會(huì)降低響應(yīng)速度。綜上，脈沖型FLRD系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)探測(cè)靈敏度和響應(yīng)速度的同時(shí)提升，這種局限性導(dǎo)致了新型解調(diào)方案的FLRD系統(tǒng)的出現(xiàn)。目前為止已提出了多種新穎的FLRD傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有各自的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能應(yīng)用。如頻移干涉腔衰蕩(FSI-FLRD)系統(tǒng)利用傅里葉變換，在空間域?qū)π盘?hào)進(jìn)行測(cè)量，相位漂移腔衰蕩(PS-FLRD)系統(tǒng)對(duì)輸入輸出光的相位解調(diào)對(duì)信號(hào)進(jìn)行探測(cè)。近年來(lái)，寬譜光源也被運(yùn)用到了新型的FLRD系統(tǒng)中，通過(guò)檢測(cè)寬譜光在環(huán)腔中的相關(guān)性的衰蕩時(shí)間從而實(shí)現(xiàn)傳感。與傳統(tǒng)的FLRD相比，寬譜光FLRD系統(tǒng)避免了對(duì)信號(hào)的調(diào)制，不需要在信號(hào)脈寬和環(huán)長(zhǎng)之間權(quán)衡，并且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，顯著提升了系統(tǒng)靈敏度和響應(yīng)速度。除了這些特點(diǎn)，F(xiàn)LRD系統(tǒng)還具有復(fù)用能力，被廣泛用于壓力檢測(cè)、輻射測(cè)量、氣體濃度、折射率等參量的傳感中，適用于傳感網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)發(fā)。

但是，目前已有的FLRD系統(tǒng)，如頻移干涉、微波解調(diào)、相位漂移等，沒(méi)有將FLRD的簡(jiǎn)單、低成本等優(yōu)點(diǎn)最大化。因此需要找到一種解調(diào)方案，使得系統(tǒng)在簡(jiǎn)單、低成本的情況下，同時(shí)使得系統(tǒng)靈敏度和響應(yīng)速度得到提升。且大多數(shù)FLRD傳感器在應(yīng)用方面不突出，且實(shí)用性不強(qiáng)，不能夠滿(mǎn)足復(fù)用的需求，在多參量測(cè)量中存在困難。因此，迫切需要設(shè)計(jì)一款具有靈敏度高，成本低，簡(jiǎn)單快捷，滿(mǎn)足靈活性、可復(fù)用性的FLRD傳感器。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷和改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種基于寬譜連續(xù)光的復(fù)用型FLRD傳感器及多參量檢測(cè)方法，其目的在于，提供一種靈敏度高、響應(yīng)速度快、成本低且具有可復(fù)用性的FLRD傳感器。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種基于寬譜連續(xù)光的復(fù)用型FLRD傳感器，包括：寬譜連續(xù)光源、傳感模塊、探測(cè)模塊和解調(diào)模塊；

傳感模塊，包括N個(gè)級(jí)聯(lián)的光纖環(huán)形衰蕩腔FLRD₁～FLRD_N，且相鄰兩光纖環(huán)形衰蕩腔之間連接有用于引入時(shí)延的時(shí)延單元，每個(gè)光纖環(huán)形衰蕩腔分別用于實(shí)現(xiàn)一個(gè)待測(cè)參量的傳感；傳感模塊的輸入端與寬譜連續(xù)光源相連；N≥2；

探測(cè)模塊，其輸入端與傳感模塊的輸出端相連，用于探測(cè)傳感模塊中各光纖環(huán)形衰蕩腔輸出的光信號(hào)，并轉(zhuǎn)換電信號(hào)，得到時(shí)序信號(hào)；

解調(diào)模塊，其輸入端與探測(cè)模塊的輸出端相連，用于對(duì)時(shí)序信號(hào)做自相關(guān)運(yùn)算，進(jìn)行相關(guān)解調(diào)，分離出各光線(xiàn)衰蕩環(huán)一一對(duì)應(yīng)的相關(guān)函數(shù)曲線(xiàn)，并計(jì)算對(duì)應(yīng)的衰蕩時(shí)間，以完成對(duì)各光纖環(huán)形衰蕩腔處的待測(cè)參量的檢測(cè)；